CN113161469A - 一种管式免封装紫外led光源模组及加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种管式免封装紫外LED光源模组及加工方法，涉及光电子行业技术领域，解决了传统的采用紫外LED灯珠的光源模组结构复杂、成本高，发光效率低、散热效果差的技术问题。该管式免封装紫外LED光源模组包括无机透明材料制成的套管、电路板、紫外LED芯片、大体积对流散热腔、支撑散热体和引出电路，紫外LED芯片直接贴装在电路板上，支撑散热体一端位于套管内，另一端通过密封填充物与套管敞口端密封连接；电路板贴装在位于套管内的支撑散热体上；引出电路穿过支撑散热体后与线路板电性连接；套管内腔中填充有惰性气体。本发明简化了紫外LED光源的结构和制造工艺，降低了成本、有利于批量生产，提高光源整体稳定性、发光效率高、散热效果好。

Description

一种管式免封装紫外LED光源模组及加工方法
技术领域
本发明涉及光电子行业技术领域，尤其是涉及一种管式免封装紫外LED光源模组及加工方法。
背景技术
UV光(紫外线)即波长范围为100～400纳米的电磁辐射，国际照明委员会将紫外光划分为三个波段，即UVA(波长为315～400纳米)、UVB(280～315纳米)和UVC(100～280纳米)。
UV光(紫外线)在消毒杀菌、生化分析、医疗保健等领域有着广阔的应用。波长在200～280nm的UV光(即UVC)可以被生物体的DNA和RNA吸收并造成其结构破坏，因而被广泛地作为有效的消毒杀菌手段。UV消毒杀菌光源市场已经有相当的规模，产品种类丰富、需求快速增长；波长在280～315nm的UV光(UVB)可以用于皮肤病的治疗和其他医疗应用；波长在315～400nm(即UVA)的UV光可用于固化、印刷、光催化领域。
从21世纪初开始，氮化物LED技术迅速地商业化并开始普及，在此之前UV光源主要是以气体放电原理的汞/金属卤化物灯、氙灯和氘灯等占据市场统治地位。相比汞灯等传统UV光源，LED光源有发光效率高、技术提升空间大、无污染(不用汞)、波长精准可调、体积小、电压低、响应快、寿命长等突出优点，近年来市场保持高速增长，特别是在消毒杀菌、光触媒、光固化、医疗领域已经形成了千亿级的市场。随着LED紫外光源性能的不断提高，在越来越多的领域已经开始取代传统的汞灯光源，且LED的上述优点又催生了诸多新的应用市场。
目前市场上的紫外LED光源或光源模组，几乎全部沿用传统的LED光源结构和制作工艺，即：将LED灯珠(即封装元器件，含COB结构灯珠)焊接固定在电路板上，然后集成二次光学元件(如灯罩、外壳、盖板等)和电子电路、密封组装成各种各样的灯具。虽然此结构方法技术成熟、成本较低，可比较好地适用于可见光、红外等波段的LED光源，但对于紫外LED、特别是C波段紫外LED光源时则存在着如下挑战：
1)其中所使用的封装材料(如塑料支架、封装胶)、光学材料(如亚克力罩、有机导光板、PCB电路板)都是有机的，在紫外光的照射下有加速老化现象甚至出现损伤，因此，很多应用到UV的材料需要特别定制，从而增加了成本和工艺难度；
2)相比其他波段LED，现阶段紫外LED发热量仍相对较大、对有机材料不友好，紫外LED灯珠的封装结构更为复杂、不得不采用不同于常规LED封装的工艺(例如陶瓷板覆铜加工、支架围坝结构、激光盖板焊接等)，工艺较为复杂、成本较高；
3)相对于其他波段LED，目前C波段紫外LED发光效率相对较低、散热负担重，为了提高光源效率、改善散热，要求光的射出和热的导出所通过的环节越少越好，而传统采用LED灯珠的方法在从发光和发热部位(即LED芯片)到光源外部要经历封装支架和电路板、封装盖板和模组套管外壳2个环节，发光效率和散热效率打了折扣，制约了紫外LED优势的发挥、限制了紫外LED应用市场的大规模推广；
4)常规的紫外LED发光模组往往是平面结构，在多个方向或者360度全方位照射的场景(如消毒杀菌)则需要多个模组的集成，不便于部署安装也不利于成本的降低；
5)在LED灯珠(LED封装元器件)的封装结构内部腔体中，封闭在灯珠内的气体体积仅为芯片体积的数十倍，且封装整体尺寸不大、散热表面十分有限，芯片发热无法有效地通过对流方式导出，而只能主要靠封装支架的热传导导出。
发明内容
本发明的目的在于提供一种管式免封装紫外LED光源模组及加工方法，以解决现有技术中存在的紫外LED灯珠的光源模组结构复杂、成本高、发光效率低、散热效果差的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：
本发明提供的一种管式免封装紫外LED光源模组，包括无机透明材料制成的套管、电路板、紫外LED芯片、支撑散热体、大体积对流散热腔和引出电路，所述紫外LED芯片直接贴装在所述电路板上，所述支撑散热体一端位于所述套管内，另一端通过密封填充物与所述套管敞口端密封连接；所述电路板贴装在位于所述套管内的所述支撑散热体上，所述引出电路穿过所述支撑散热体后与所述线路板电性连接；所述套管内腔中填充有惰性气体形成大体积对流散热腔。
作为本发明的进一步改进，所述紫外LED芯片数量为多个，沿所述套管轴向不均衡分布，靠近所述套管敞口端的所述紫外LED芯片布置密度大。
作为本发明的进一步改进，所述套管采用紫外光高透光率的石英玻璃管制成，一端封闭，另一端敞口。
作为本发明的进一步改进，所述电路板采用导热率高的全无机材料电路板制成。
作为本发明的进一步改进，所述支撑散热体一端为平板或多面体结构的散热座，用于固定所述线路板；另一端为中空圆柱形散热柱，用于所述引出电路的导出。
作为本发明的进一步改进，所述支撑散热体采用热导率高的金属材料制成、且作为正极或负极之一兼具导电功能。
作为本发明的进一步改进，所述电路板贴装在所述散热座的一面或多面上。
作为本发明的进一步改进，还包括涂装在所述电路板上的反射涂层和设置在所述紫外LED芯片周围的反光微结构。
作为本发明的进一步改进，所述反光微结构为电路板表面凹凸形的反光瓦。
作为本发明的进一步改进，所述反射涂层为紫外光反射率高的镜面铝膜或铜膜。
作为本发明的进一步改进，当所述散热座为平板时，该平板为沿所述散热柱轴向延伸设置的散热座，当所述散热座为多面体结构时，该多面体结构为沿所述散热柱轴向延伸设置的三棱、四面体或六面体结构的散热座。
作为本发明的进一步改进，所述密封填充物为绝缘密封陶瓷胶。
作为本发明的进一步改进，全无机材料的所述电路板为覆铜氮化铝板、覆铜氧化铝板或覆铜金属电路板。
作为本发明的进一步改进，热导率高的金属为铜或铝。
作为本发明的进一步改进，还包括贴装在所述电路板上的保护电路元器件。
本发明提供的一种用于生产所述管式免封装紫外光源的加工方法，包括如下步骤：
步骤100、根据需要选择构成系统的各部件，支撑散热体、电路板、紫外LED芯片、套管、保护电路元器件和密封填充物；
步骤200、将紫外LED芯片和电路保护元器件直接贴装在电路板上，根据芯片结构不同进行引线或焊接；紫外LED芯片的布局主要根据芯片发热和散热平衡来设计，并兼顾光功率分布需求、波长分布需求和芯片光电参数，紫外LED芯片在电路板上沿套管轴向方向不均衡分布以使各个紫外LED芯片的工作温度都接近在额定区间：接近套管敞口端的紫外LED芯片布置密度较大、远离敞口端的紫外LED芯片布置密度越小；
步骤300、在电路板正面涂装反射涂层，在紫外LED芯片四周设置反光微结构；
步骤400、支撑散热体一端为平板或者多面体结构的散热座用于固定电路板；另一端为中空圆柱形散热柱，用于电线的引出；支撑散热体采用金属材料制成，散热柱可作为电源线正负极之一使用；贴装了紫外LED芯片和电路保护元器件的电路板焊接方式或用导热硅胶以密切接触方式固定在散热座上，根据所需照射的方向和强度，可在的一面或多面贴装，贴装的同时将电路板的电源引线分别接到散热柱上；
步骤500、套管为一端封闭、一端敞口，步骤400中完成贴装的支撑散热体插入套管内，用无机材料密封填充物填充套管外端和套管与支撑散热体之间的空隙，并进行高燥与固化形成密封；最后向套管内灌注惰性气体。
本发明针对深紫外LED的特点和消毒杀菌、固化等应用，本发明提出一种采用创新结构的紫外LED光源模组，其中不使用LED灯珠(即LED封装元器件)及封装材料，而直接在管式结构内组装、密封紫外LED芯片，且芯片布局可针对照射方向、发光效率、散热进行优化，对于现有的产品和方案，本方案具有如下优点：
A)简化了紫外LED光源模组的结构和制造工艺，减少了物料的使用、降低了成本、有利于批量生产；
B)直接使用紫外LED芯片、而不使用LED灯珠，减少了封装盖板或透镜环节的出光损失、消除了紫外LED芯片和封装支架之间的散热界面，从而有利于提高光效、改善散热，进而提高光源整体的稳定性；
C)在紫外LED芯片外围形成数万倍体积的空腔，可通过充入惰性气体来形成有效的对流散热通道，较传统采用LED灯珠主要依靠接触热传导的方式更具有散热优势；
D)因不使用LED灯珠和封装结构，可以在电路板上有更大的空间和灵活性来制作反光层和反光微结构，从而进一步提高发光效率；
E)套管采用紫外光透光率良好的材料(如石英紫外玻璃)、可通过电路板的模块化组合实现多角度及360度出光；
F)结构简单，更容易实现全无机结构；
G)采用管状结构，便于直接取代常规的汞灯紫外灯管，用于消毒杀菌、固化、化学分析等领域。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明管式免封装紫外LED光源模组的主视结构图；
图2是本发明管式免封装紫外LED光源模组中支撑散热体的立体结构示意图。
图中1、套管；2、电路板；3、紫外LED芯片；4、支撑散热体；5、引出电路；6、密封填充物；7、反光微结构；8、保护电路元器件；9、对流散热腔。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
实施例1：
本发明提供了一种管式免封装紫外LED光源模组，可用于消毒杀菌或生化分析领域，包括无机透明材料制成的套管1、电路板2、紫外LED芯片3、支撑散热体4、对流散热腔9和引出电路5，紫外LED芯片3直接贴装在电路板2上，支撑散热体4一端位于套管1内，另一端通过密封填充物6与套管1敞口端密封连接；电路板2贴装在位于套管1内的支撑散热体4上；引出电路5穿过支撑散热体4后与线路板2电性连接；套管1内腔中填充有惰性气体作为对流散热腔9。
本发明针对深紫外LED的特点和消毒杀菌、固化等应用，提出一种采用创新结构的紫外LED光源模组，其中不使用LED灯珠(即封装元器件)及封装材料、而直接在管式结构内组装、密封紫外LED芯片，简化了紫外LED光源的结构和制造工艺，降低了成本、有利于批量生产，直接使用紫外LED芯片、而不使用LED灯珠，减少了封装盖板或透镜环节的出光损失、消除了紫外LED芯片和封装支架之间的散热界面，从而有利于提高光效、改善散热，进而提高光源整体的稳定性；在紫外LED芯片外围形成数万倍体积的空腔，可通过充入惰性气体来形成有效的对流散热通道，较传统采用LED灯珠主要依靠接触热传导的方式更具有散热优势。
本发明的管式免封装紫外LED光源模组在紫外LED芯片外围，由套管、支撑散热体和密封填充物构成一个比芯片体积大数万倍的腔体，其中填充惰性气体(如氦气、氮气)实现对流散热，并对芯片、电路板表层进行保护。
实施例2：
在本实施例中，提供了一种管式免封装紫外LED光源模组，可用于消毒杀菌或生化分析领域，包括无机透明材料制成的套管1、电路板2、紫外LED芯片3、支撑散热体4、对流散热腔9和引出电路5，紫外LED芯片3直接贴装在电路板2上，支撑散热体4一端位于套管1内，另一端通过密封填充物6与套管1敞口端密封连接；电路板2贴装在位于套管1内的支撑散热体4上；引出电路5穿过支撑散热体4后与线路板2电性连接；套管1内腔中填充有惰性气体作为对流散热腔9；进一步的，紫外LED芯片3数量为多个，沿套管1轴向不均衡分布，靠近套管1敞口端的紫外LED芯片3布置密度大。
芯片的布局主要根据器件发热和散热平衡来设计，并兼顾光功率分布需求、波长分布需求和芯片光电参数，芯片在电路板上沿套管轴向方向以不均衡分布以使各个芯片的工作温度都接近在额定区间：接近密封端的芯片布置密度较大、远离密封端的布置密度越小。
更进一步的，套管1采用紫外光高透光率的石英玻璃管制成。
进一步需要说明的是，套管1为一端封闭、一端敞口结构(为简化结构、减少密封所需的物料和加工工序，且便于使用时安装)，采用具有紫外光高透过率的石英、专用玻璃等无机透明材料，透光率好，也避免出现长期紫外光照射后的材料老化问题。本发明采用紫外光高透光率套管(辅助密封填充材料)、而非常规的透镜或石英盖板对LED芯片和相关元器件进行保护，并实现紫外光的高效发出。管式结构的套管1采用紫外高透光材料(如石英玻璃和紫外玻璃等)，可实现多角度或360度全方位出光。
更进一步的，电路板2采用导热率高的全无机材料电路板制成。本发明提供的管式免封装紫外光源，结构简单，更容易实现全无机结构。
如图2所示，作为本发明的一种可选实施方式，支撑散热体4一端为平板或多面体结构的散热座，用于固定线路板，另一端为中空圆柱形散热柱，用于引出电路的导出；具体的，散热座为平板或多面体结构，散热座的轴向延伸方向与散热柱的轴向相同，且二者轴线重合。
进一步的，支撑散热体4采用热导率高的金属材料制成，其中散热柱可以作为电源线的正负极之一使用。具体的，散热柱自身兼具正负极之一的导线，另一导线(负或正)在位于套管1内部的一侧由绝缘材料密封，如图1所示，散热柱可作为电路电极负极使用，穿出散热柱的导线为电路电极正极。
更进一步的，热导率高的金属为铜或铝。
根据需要选择设置出光方向时，电路板2贴装在支撑散热体4的一面或多面上。
作为本发明的一种可选实施方式，为提高光效率，还包括涂装在电路板2正面上的反射涂层和设置在紫外LED芯片3周围的反光微结构7。
因不使用LED灯珠和封装结构，可以在电路板上有更大的空间和灵活性来制作反光层和反光微结构，从而进一步提高发光效率；
进一步的，反光微结构7为电路板表面凹凸形的反光瓦。具体的，反光瓦采用现有技术中的产品实现。
进一步的，反射涂层为紫外光反射率高的镜面铝膜或铜膜。
具体的，支撑散热体4一端的多面体结构为三棱、四面体或六面体结构。
具体的，密封填充物6为绝缘密封陶瓷胶。
具体的，全无机材料的电路板为覆铜氮化铝板、覆铜氧化铝板或覆铜金属电路板。
进一步的，还包括贴装在电路板2上的保护电路元器件8。
本发明提供的一种用于生产管式免封装紫外LED光源模组的加工方法，包括如下步骤：
步骤100、根据需要选择构成系统的各部件，支撑散热体4、电路板2、紫外LED芯片3、套管1、保护电路元器件8和密封填充物6；
步骤200、将紫外LED芯片3和电路保护元器件8直接贴装在电路板2上，根据芯片结构不同进行引线或焊接；紫外LED芯片3的布局主要根据芯片发热和散热平衡来设计，并兼顾光功率分布需求、波长分布需求和芯片光电参数，紫外LED芯片3在电路板2上沿套管1轴向方向不均衡分布以使各个紫外LED芯片3的工作温度都接近在额定区间：接近套管1敞口端的紫外LED芯片3布置密度较大、远离敞口端的紫外LED芯片3布置密度越小；
步骤300、在电路板2正面涂装反射涂层，在紫外LED芯片3四周设置反光微结构7；
步骤400、支撑散热体4一端为平板或者多面体结构的散热座用于固定电路板2；另一端为中空圆柱形散热柱，用于电线的引出；支撑散热体4采用金属材料制成，散热柱可作为电源线正负极之一使用；贴装了紫外LED芯片3和电路保护元器件8的电路板2以焊接方式或用导热硅胶以密切接触方式固定在散热座上，根据所需照射的方向和强度，可在的一面或多面贴装，贴装的同时将电路板2的电源引线分别接到散热柱上；
步骤500、套管1为一端封闭、一端敞口，步骤400中完成贴装的支撑散热体4插入套管1内，用无机材料密封填充物6填充套管1外端和套管1与支撑散热体4之间的空隙，并进行高燥与固化形成密封；最后向套管1内灌注惰性气体。
这里首先需要说明的是，“向内”是朝向容置空间中央的方向，“向外”是远离容置空间中央的方向。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图1所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种管式免封装紫外LED光源模组，其特征在于，包括无机透明材料制成的套管、电路板、紫外LED芯片、支撑散热体、大体积对流散热腔和引出电路，所述紫外LED芯片直接贴装在所述电路板上，所述支撑散热体一端位于所述套管内，另一端通过密封填充物与所述套管敞口端密封连接；所述电路板贴装在位于所述套管内的所述支撑散热体上，所述引出电路穿过所述支撑散热体后与所述线路板电性连接；所述套管内腔中填充有惰性气体形成大体积对流散热腔。
2.根据权利要求1所述的管式免封装紫外LED光源模组，其特征在于，所述紫外LED芯片数量为多个，沿所述套管轴向不均衡分布，靠近所述套管敞口端的所述紫外LED芯片布置密度大。
3.根据权利要求1所述的管式免封装紫外LED光源模组，其特征在于，所述套管采用紫外光高透光率的石英玻璃管制成，一端封闭、另一端敞口。
4.根据权利要求1所述的管式免封装紫外LED光源模组，其特征在于，所述电路板采用导热率高的全无机材料电路板制成。
5.根据权利要求1所述的管式免封装紫外LED光源模组，其特征在于，所述支撑散热体一端为平板或多面体结构的散热座，用于固定所述线路板；另一端为中空圆柱形散热柱，用于所述引出电路的导出。
6.根据权利要求5所述的管式免封装紫外LED光源模组，其特征在于，所述支撑散热体采用热导率高的金属材料制成。
7.根据权利要求5所述的管式免封装紫外LED光源模组，其特征在于，所述电路板贴装在所述散热座的一面或多面上。
8.根据权利要求1所述的管式免封装紫外LED光源模组，其特征在于，还包括涂装在所述电路板上的反射涂层和设置在所述紫外LED芯片周围的反光微结构。
9.根据权利要求8所述的管式免封装紫外LED光源模组，其特征在于，所述反光微结构为电路板表面凹凸形的反光瓦。
10.一种用于生产如权利要求1-9中任一所述的管式免封装紫外LED光源模组的加工方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤100、根据需要选择构成系统的各部件，支撑散热体、电路板、紫外LED芯片、套管、保护电路元器件和密封填充物；
步骤200、将紫外LED芯片和电路保护元器件直接贴装在电路板上，根据芯片结构不同进行引线或焊接；紫外LED芯片的布局主要根据芯片发热和散热平衡来设计，并兼顾光功率分布需求、波长分布需求和芯片光电参数，紫外LED芯片在电路板上沿套管轴向方向不均衡分布以使各个紫外LED芯片的工作温度都接近在额定区间：接近套管敞口端的紫外LED芯片布置密度较大、远离敞口端的紫外LED芯片布置密度越小；
步骤300、在电路板正面涂装反射涂层，在紫外LED芯片四周设置反光微结构；
步骤400、支撑散热体一端为平板或者多面体结构的散热座用于固定电路板；另一端为中空圆柱形散热柱，用于电线的引出；支撑散热体采用金属材料制成，散热柱可作为电源线正负极之一使用；贴装了紫外LED芯片和电路保护元器件的电路板以焊接方式或用导热硅胶以密切接触方式固定在散热座上，根据所需照射的方向和强度，可在的一面或多面贴装，贴装的同时将电路板的电源引线分别接到散热柱上；
步骤500、套管为一端封闭、一端敞口，步骤400中完成贴装的支撑散热体插入套管内，用无机材料密封填充物填充套管外端和套管与支撑散热体之间的空隙，并进行高燥与固化形成密封；最后向套管内灌注惰性气体以形成对流散热腔。
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